《塞下曲六首》原文及翻譯賞析

[拼音]：tuoluoyi

[英文]：gyroscope

測定飛行器姿態用的一種儀表。經典陀螺儀具有高速旋轉的剛體轉子，能夠不依賴任何外界資訊而測出飛機、導彈等運載體的姿態。現代，陀螺儀這一名稱已推廣到沒有剛體轉子而功能與經典陀螺儀等同的儀表。

發展概況

1852年法國科學家J.B.L.傅科製作了一套能顯示地球轉動的儀器，命名為陀螺儀。陀螺儀於1914年開始作為慣性基準構成飛機的電動陀螺穩定裝置。從20年代起，陀螺儀廣泛應用於各種運載體（如船舶、飛機等）上，成為各種運載體的自動控制、制導和導航系統中測定姿態、角速度、角加速度、方位的重要元件。40年代，陀螺儀開始在早期導彈上作為制導系統的姿態基準。但是直至50年代，陀螺儀在構造原理上改進不大，大體上仍沿襲傅科所製作的陀螺儀，測量精度不高。50年代以後陸續出現陀螺儀轉子的液浮、磁浮、動壓氣浮、靜電懸浮以及撓性支承技術，使陀螺儀的構造得到很大改善，測量精度大大提高。1975年鐳射陀螺儀研製成功，它不存在機械摩擦不受重力加速度的影響，承受振動的能力強，在飛機和導彈的慣性導航系統中得到廣泛應用。

結構和組成

陀螺儀一般由轉子、內外環和基座組成（圖1）。通過軸承安裝在內環上的轉子作高速旋轉。內環通過軸承與外環相連，外環又通過軸承與運動物體（基座）相連。轉子相對於基座具有 3個角運動自由度，因有三自由度陀螺儀之稱。但轉子實際上只能繞內環軸和外環軸轉動，因而近代又稱之為雙自由度陀螺儀。它又因轉子可自由轉向任意方向而被稱為自由轉子陀螺儀。陀螺儀的轉子一般就是電動機的轉子。為了保證陀螺儀的效能良好，轉子的角動量要儘可能大，為此電動機的轉子放在定子的外部。此外，為使轉子的轉速不變而用同步電機作為陀螺電機。在控制系統中的陀螺儀應有輸出姿態角訊號的元件（角度感測器）。圖1 中陀螺儀的兩個輸出軸（內環軸和外環軸）上均裝有這種元件。為使陀螺儀工作於某種特定狀態（如要求陀螺儀保持水平基準），在內環軸和外環軸上應裝力矩器，以便對陀螺儀加以約束或修正。

原理和特性

陀螺儀是利用慣性原理工作的。它有兩個重要特性：

（1）定軸性：高速旋轉的轉子具有力圖保持其旋轉軸在慣性空間內的方向穩定不變的特性。轉子角動量即向量H（圖2）是轉子繞自轉軸的轉動慣量J和自轉角速度Ω的乘積(H＝JΩ)。定軸性是指向量H力圖保持指向不變。

（2）進動性：在外力矩作用下，旋轉的轉子力圖使其旋轉軸沿最短的路徑趨向外力矩的作用方向。圖2中陀螺儀轉子在重力G作用下不從支點掉下，而以角速度w繞垂線不斷轉動，這就是進動。進動角速度w＝M/H，其中M為外加力矩，這裡指重力產生的力矩。干擾力矩引起轉子的進動角速度稱為陀螺的漂移率，單位為度/時，是衡量陀螺儀效能的主要指標。

分類

按照轉子轉動的自由度分成雙自由度陀螺儀(也稱三自由度陀螺儀)和單自由度陀螺儀（也稱二自由度陀螺儀）。前者用於測定飛行器的姿態角，後者用於測定姿態角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為速率陀螺儀。但通常多按陀螺儀中所採用的支承方式分類。

滾珠軸承自由陀螺儀

它是經典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時幾度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。一個自由轉子陀螺儀（雙自由度陀螺儀）靠內環軸和外環軸角度感測元件可以測量兩個姿態角。

液浮陀螺儀

又稱浮子陀螺。內框架（內環）和轉子形成密封球形或圓柱形的浮子元件。轉子在浮子元件內高速旋轉，在浮子元件與殼體間充以浮液，用以產生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子元件的重量相等者，稱為全浮陀螺；浮力小於浮子元件重量者稱為半浮陀螺。由於利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補這一不足，通常在液浮的基礎上增加磁懸浮，即由浮液承擔浮子元件的重量，而用磁場形成的推力使浮子元件懸浮在中心位置。此外，還可利用高速旋轉的轉子與內框架之間所形成的動壓氣膜支承轉子，這種方式稱為動壓氣浮支承。現代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮並用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高，漂移率為0.01度/時。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴格的裝配、精確的溫控，因而成本較高。

靜電陀螺儀

又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉子的周圍裝有均勻分佈的高壓電極，對轉子形成靜電場，用靜電力支承高速旋轉的轉子。這種方式屬於球形支承，轉子不僅能繞自轉軸旋轉，同時也能繞垂直於自轉軸的任何方向轉動，故屬自由轉子陀螺儀型別。靜電場僅有吸力，轉子離電極越近吸力就越大，這就使轉子處於不穩定狀態。用一套支承電路改變轉子所受的力，可使轉子保持在中心位置。靜電陀螺儀採用非接觸支承，不存在摩擦，所以精度很高，漂移率低達10-3～10-5 度/時。它不能承受較大的衝擊和振動。它的缺點是結構和製造工藝複雜，成本較高。

撓性陀螺儀

轉子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應用較廣的是動力調諧撓性陀螺儀。它由內撓性杆、外撓性杆、平衡環、轉子、驅動軸和電機等組成。它靠平衡環扭擺運動時產生的動力反作用力矩（陀螺力矩）來平衡撓性杆支承產生的彈性力矩，從而使轉子成為一個無約束的自由轉子，這種平衡就是調諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發展起來的慣性元件，它因結構簡單、精度高（與液浮陀螺相近）、成本低，在飛機和導彈上得到了廣泛應用。

鐳射陀螺儀

它的結構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。鐳射陀螺實際上是一種環形鐳射器，沒有高速旋轉的機械轉子，但它利用鐳射技術測量物體相對於慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。鐳射陀螺儀的結構和工作是：用熱膨脹係數極小的材料製成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，並裝設電極，形成鐳射發生器。鐳射發生器產生兩束射向相反的鐳射。當環形鐳射器處於靜止狀態時，兩束鐳射繞行一週的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差（頻差）為零，干涉條紋為零。當環形鐳射器繞垂直於閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數正比於轉動角速度。鐳射陀螺的漂移率低達0.1～0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導航中得到應用，是很有發展前途的新型陀螺儀。

處在研製過程中的光導纖維陀螺儀正逐漸成為實用的儀表。其他新型原理的陀螺儀，如核子共振陀螺儀等，還處在研究階段。

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